Parshall Flume คืออะไร? อุปกรณ์วัดการไหลของน้ำในทางเปิดที่แม่นยำ
สรุปใจความสำคัญ
- พัฒนาโดย ดร. ราล์ฟ แอล. พาร์แชล เพื่อปรับปรุง Venturi flume ให้วัดน้ำได้แม่นยำขึ้น
- ใช้การเปลี่ยนสภาพการไหลจาก subcritical เป็น supercritical flow ผ่านจุดลดระดับที่คอคอด
- รองรับการใช้งานหลากหลายวัสดุ ตั้งแต่ไฟเบอร์กลาสไปจนถึงคอนกรีตสำหรับขนาดใหญ่
- ได้รับการรับรองมาตรฐานสากล เช่น ASTM D1941 และ ISO 9826
Parshall flume คืออุปกรณ์วัดการไหลของน้ำในทางเปิด (Open channel flow-metering device) ที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในการวัดอัตราการไหลของน้ำผิวดินและน้ำในระบบชลประทาน โดยมีพื้นฐานมาจากการดัดแปลง Venturi flume เพื่อให้สามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย
ประวัติและการพัฒนา
อุปกรณ์นี้ถูกคิดค้นโดย ดร. ราล์ฟ แอล. พาร์แชล (Dr. Ralph L. Parshall) จากหน่วยงาน Soil Conservation Service ของสหรัฐอเมริกา โดยเริ่มพัฒนาในปี ค.ศ. 1915 โดยการปรับปรุง Venturi flume แบบเดิมให้มีจุดลดระดับความสูง (drop in elevation) บริเวณคอคอด (throat) ของรางวัดน้ำ
การดัดแปลงที่สำคัญประกอบด้วย:
- การลดมุมสอบของผนังทางเข้า (Inlet walls)
- การเพิ่มความยาวของส่วนคอคอด (Throat)
- การลดมุมบานของผนังทางออก (Outlet wall)
- การสร้างจุดลดระดับความสูงผ่านส่วนคอคอด เพื่อเปลี่ยนสภาพการไหลจากแบบ subcritical flow เป็น supercritical flow
ในปี ค.ศ. 1930 คณะกรรมการชลประทานของ American Society of Civil Engineers (ASCE) ได้ตั้งชื่ออุปกรณ์นี้ว่า Parshall Measuring Flume เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้สร้าง
การประยุกต์ใช้งาน
ในระยะแรก Parshall flume ถูกออกแบบมาเพื่อใช้ในช่องทางชลประทานและน้ำผิวดิน แต่ปัจจุบันถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลายด้าน ดังนี้:
- ช่องทางชลประทานและคูระบายน้ำ
- ร่องน้ำ (Furrows)
- แหล่งน้ำผิวดิน เช่น ลำห้วย ลำธาร และแม่น้ำ
- การไหลในท่อแบบยกระดับเหนือพื้นดิน
- การไหลในท่อใต้ดิน (เช่น ในบ่อพักคอนกรีตหรือ Manholes)
วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง
วัสดุที่ใช้ผลิต Parshall flume มีความหลากหลายขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานและงบประมาณ:
| วัสดุ | การใช้งานที่เหมาะสม |
|---|---|
| ไฟเบอร์กลาส (Fiberglass) | งานบำบัดน้ำเสีย เนื่องจากทนต่อการกัดกร่อนได้ดี |
| สแตนเลส (Stainless steel) | น้ำที่มีอุณหภูมิสูงหรือมีสารกัดกร่อนรุนแรง |
| เหล็กชุบกัลวาไนซ์ (Galvanized steel) | งานสิทธิการใช้น้ำและงานชลประทาน |
| คอนกรีต (Concrete) | รางวัดน้ำขนาดใหญ่ (ความกว้างคอคอดตั้งแต่ 144 นิ้วขึ้นไป) |
| อลูมิเนียม (Aluminum) | อุปกรณ์แบบเคลื่อนย้ายได้ (Portable) |
| ไม้ (Wood) | การวัดการไหลแบบชั่วคราว |
| พลาสติก (PVC/Polycarbonate) | การทดลองในห้องปฏิบัติการและการเรียนการสอน |
รายละเอียดทางเทคนิคและการคำนวณ
การออกแบบ Parshall flume ได้รับการรับรองมาตรฐานสากล เช่น ASTM D1941, ISO 9826:1992 และ JIS B7553-1993 โดยมีขนาดมาตรฐานถึง 22 ขนาด ครอบคลุมช่วงการไหลตั้งแต่ 0.005 ถึง 3,280 ลูกบาศก์ฟุตต่อวินาที
การคำนวณอัตราการไหลแบบ Free-flow
ภายใต้สภาวะการไหลแบบอิสระ (Free-flow) ความลึกของน้ำที่จุดวัดระดับน้ำด้านหน้าคอคอดสามารถนำมาคำนวณเป็นอัตราการไหลได้ โดยใช้สมการดังนี้:
โดยที่ Q คืออัตราการไหล, C คือค่าสัมประสิทธิ์การไหลแบบอิสระ, H คือระดับความลึกของน้ำที่จุดวัด และ n คือค่าคงที่ซึ่งแปรผันตามขนาดของรางวัดน้ำ
การคำนวณแบบ Submerged Flow
เมื่อระดับน้ำด้านท้ายน้ำสูงจนส่งผลกระทบต่อการไหลที่คอคอด จะเกิดสภาวะที่เรียกว่า Submerged flow ซึ่งต้องใช้การคำนวณที่ซับซ้อนขึ้นโดยการหักลบค่าแก้ (Submergence correction) ดังนี้:
ความแม่นยำของ Parshall flume ในห้องปฏิบัติการสามารถทำได้ถึง ±2% แต่ในสภาพการใช้งานจริงในภาคสนาม ความแม่นยำมักจะอยู่ที่ประมาณ 5%
คำถามที่พบบ่อย
Parshall flume แตกต่างจาก Venturi flume อย่างไร?
Parshall flume มีการลดมุมสอบของทางเข้า เพิ่มความยาวคอคอด ลดมุมบานของทางออก และที่สำคัญที่สุดคือมีการสร้างจุดลดระดับความสูง (drop) ที่พื้นคอคอด เพื่อให้เกิดการไหลแบบ supercritical flow ซึ่งช่วยให้การวัดค่าแม่นยำขึ้น
เมื่อใดที่ต้องใช้การคำนวณแบบ Submerged flow?
เมื่อระดับน้ำด้านท้ายน้ำสูงจนทำให้การไหลที่คอคอดไม่เป็นอิสระ และส่งผลกระทบต่อการไหลที่คอคอด (Submergence transition) โดยทั่วไปจะเริ่มตั้งแต่ 50% ถึง 80% ขึ้นอยู่กับขนาดของรางวัดน้ำ
วัสดุใดเหมาะสำหรับใช้ในระบบบำบัดน้ำเสีย?
ไฟเบอร์กลาส (Fiberglass) เป็นวัสดุที่แนะนำสำหรับงานบำบัดน้ำเสีย เนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากสารเคมีและสิ่งสกปรกในน้ำเสียได้ดีที่สุด